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Multi-physics simulation of non-equilibrium solidification in Ti-Nb alloy during selective laser melting

材料科学 微观结构 枝晶(数学) 选择性激光熔化 合金 温度梯度 传热 计算流体力学 流体力学 相(物质) 热力学 定向凝固 复合材料 冶金 物理 几何学 数学 有机化学 化学 量子力学
作者
Yongfu Cheng,Gang Wang,Zhaoguo Qiu,Zhigang Zheng,Dechang Zeng,Xu Tang,Rongpei Shi,Murali Uddagiri,Ingo Steinbach
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:272: 119923-119923
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2024.119923
摘要

This paper underscores the critical role of temperature distribution in the molten pool on the resulting solidification microstructure during selective laser melting (SLM) process. A powder-resolved computational fluid dynamics (CFD) model of Ti-Nb alloy is established to investigate heat transfer and fluid flow in the molten pool. When comparing the bulk model to the powder bed model, discrepancies in temperature gradient and cooling rate can reach up to 26.29% and 18.32%, respectively. Utilizing the powder bed CFD model, temperature gradient and cooling rate data at the molten pool boundary are integrated into the finite interface dissipation phase-field model. The simulation results illuminate the non-equilibrium solidification microstructure in the SLMed Ti-Nb alloy. Results indicate that the rapid solidification fosters a pronounced solute trapping effect, mitigating solute microsegregation. The microstructure manifests as cellular and dendritic structures, with Nb concentration in cellular cores and depletion in intercellular region. Predicted primary dendrite arm spacing (PDAS) or cell size range between 0.4 to 0.6 μm, consistent with experimental observations. In particular, the study reveals a transition from dendritic to cellular and from cellular to planar structures, with an accompanying analysis of the underlying mechanisms.
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